閆清峰，張紀(jì)剛,2*

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266033；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)是由纖維材料做增強(qiáng)體，與基體材料按照一定的比例混合后形成的高性能復(fù)合材料，自20世紀(jì)40年代問世以來，憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)良的性能，廣泛應(yīng)用于車輛、機(jī)械化工、航空航天以及生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域[1-3]，近年來，F(xiàn)RP因其適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向(大跨、高層、輕質(zhì)),被廣泛應(yīng)用于修復(fù)加固工程、橋梁工程、海洋工程、巖土工程以及各類民用建筑中，受到土木工程界的廣泛關(guān)注[4-7]。

FRP的研究、開發(fā)和應(yīng)用在歐美等發(fā)達(dá)國家已成為十分活躍的領(lǐng)域，今后也將給中國建筑經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域帶來不可忽視的綜合效益[8]。為此，總結(jié)了中外關(guān)于FRP在土木工程領(lǐng)域的研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論了FRP材料本身以及FRP與其他材料相結(jié)合時(shí)的性能表現(xiàn)，為FRP的科學(xué)研究與工程應(yīng)用提供參考意見。

1 典型的FRP材料

FRP是由纖維材料和基體材料復(fù)合而成的，其材料性能與鋼材、混凝土等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的材料性能有很大差異。在土木工程中常用的纖維材料主要有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和芳綸纖維，與之相對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料分別稱為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(aramid fiber reinforced polymer,AFRP)[9]。最常用的基體材料為熱固性樹脂基體，主要包括環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯樹脂和酚醛樹脂等。

1.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

CFRP具有極高的抗拉強(qiáng)度和比強(qiáng)度，質(zhì)量?jī)H為鋼材的20%但卻具有等同于鋼材的彈性模量，在所有的FRP中強(qiáng)度是最高的，抗疲勞性能和抗徐變性能也是最好的，但CFRP的造價(jià)偏高，是普通鋼材的2～10倍，而且它的延伸率小，為了得到更好的性能有時(shí)需要混合其他纖維共同使用。碳纖維本身又可分為標(biāo)準(zhǔn)型(T300)、高強(qiáng)型(T800H)、高模型(M50J)以及極高模型(P120)[10-11]。

1.2 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

玻璃纖維是葉蠟石、石英砂、石灰石等7種礦石為原料經(jīng)一系列工藝制造成，因原材料豐富、價(jià)格便宜，是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的纖維材料，通常以30%～35%的質(zhì)量復(fù)合到基體材料中，GFRP(俗稱玻璃鋼)具有比強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積成型以及適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)玻璃成分，玻璃纖維可分為無堿玻璃(E-玻璃)、中堿玻璃(C-玻璃)、耐堿玻璃(AR-玻璃)、高模量玻璃(M-玻璃)、高強(qiáng)玻璃(S-玻璃)等，其中E-GFRP在FRP中最便宜、消耗量最大。但在世界衛(wèi)生組織癌癥研究機(jī)構(gòu)2017年公布的名單中，E-GFRP在2B類致癌清單中。

1.3 玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

玄武巖纖維是一種近些年興起的新型無機(jī)高性能纖維材料[12]，由天然玄武巖拉制而成，廢棄后可在環(huán)境中直接降解，綠色環(huán)保[13]。BFRP不僅強(qiáng)度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、抗輻射、抗震性能好等多種優(yōu)異性能，成本與GFRP相似，是GFRP的一種有效替代品[14]，目前中國關(guān)于玄武巖纖維的規(guī)范正在推行試用階段。

1.4 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

芳綸纖維是一種高性能的人造合成纖維，由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成，具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、低密度等優(yōu)良性能，還具有良好的介電性和絕緣性，生命周期長(zhǎng)。目前Kevlar纖維、Twaron纖維、Technora纖維等由美國和日本公司生產(chǎn)的芳綸纖維占據(jù)了大部分市場(chǎng)，中國研究起步較晚，技術(shù)不夠成熟，目前芳綸纖維的使用大部分依賴進(jìn)口。AFRP是所有FRP材料中綜合性能最好的一種，與GFRP相比其密度低40%[15]，與CFRP相比，其抗堿性更強(qiáng)、延伸率更高[16]，在高速荷載作用下其破壞強(qiáng)度較之于其他FPR材料要高出40%。

1.5 樹脂材料

樹脂材料在復(fù)合材料中做基體使用，將纖維黏結(jié)在一起，使纖維材料受力均勻。樹脂的選擇尤為重要，它會(huì)影響整個(gè)復(fù)合材料的力學(xué)性能，熱塑性樹脂由于耐熱性和剛性較差，不適用于土木工程，而環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯樹脂和酚醛樹脂等熱固性樹脂由于剛性大、硬度高、耐溫高、制品尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于FRP的基體材料[17-20]。

表1～表3分別給出了纖維材料、基體材料和FRP材料的力學(xué)性能，并與傳統(tǒng)材料進(jìn)行了對(duì)比。

表1 纖維材料與鋼力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of mechanical properties between fiber materials and steel

表2 典型樹脂基體性能參數(shù)Table 2 Typical resin matrix performance parameters

表3 FRP力學(xué)性能與鋼材的對(duì)比Table 3 Comparison of mechanical properties between FRP and steel

盡管FRP材料具有諸多優(yōu)良性能，但其缺點(diǎn)依然比較明顯[21-27]，具體如下。

(1)各向異性嚴(yán)重，F(xiàn)RP順纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)高于垂直纖維方向，兩個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度相差可達(dá)25倍，抗壓強(qiáng)度相差可達(dá)5倍，模量相差13倍。

(2)彈性模量低是FRP作為結(jié)構(gòu)材料最大的劣勢(shì)，除CFRP外，其他FRP材料的彈性模量約為鋼材的1/20～1/2，同時(shí)FRP材料強(qiáng)度有較大的離散性，鋼材屈服強(qiáng)度的離散系數(shù)約為0.1，而FRP材料拉伸強(qiáng)度的離散系數(shù)約為0.15。

(3)FRP結(jié)構(gòu)有多種連接方式(鉚接、栓接和黏接等)，無論哪種連接方式，與其他材料構(gòu)件的連接處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，其抗剪強(qiáng)度低，僅為抗拉強(qiáng)度的5%～20%，這也是目前FRP應(yīng)用過程中亟待解決的問題。

(4)防火性能差。由于樹脂材料在高溫下會(huì)軟化，一般FRP材料的臨界溫度在300～400 ℃，而且部分樹脂材料有可燃性。目前可采用在樹脂中摻入阻燃劑，并在FRP表面進(jìn)行防火處理，防火效果已經(jīng)與混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

(5)FRP材料的經(jīng)濟(jì)性和耐久性一直都是學(xué)者的研究的重點(diǎn)。FRP材料在價(jià)格上沒有任何的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但由于自重輕強(qiáng)度高，材料用量少，而且維護(hù)費(fèi)用低廉，隨著應(yīng)用普及，其綜合經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。目前FRP廠商都是通過快速老化試驗(yàn)來證明材料的耐久性，而實(shí)際上在時(shí)間、溫度、濕度等因素共同作用下，材料性能的變化很復(fù)雜，像徐變、應(yīng)力松弛及堿性反應(yīng)等問題，而由于FRP材料應(yīng)用于土木工程中也僅50余年，適用于中國環(huán)境的耐久性研究相對(duì)較少。

2 FRP筋和FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早破壞的主要原因之一，暴露在嚴(yán)酷環(huán)境下的結(jié)構(gòu)破壞更快，為解決這一問題，從20世紀(jì)80年代開始，研究者們開始提倡用FRP筋代替鋼筋作為受力筋，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，F(xiàn)RP筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為發(fā)展的熱門，中外學(xué)者在FRP筋和FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)方面也取得了豐富的研究和實(shí)踐成果[28]。

FRP筋由纖維材料和樹脂材料復(fù)合而成，其中纖維材料的含量一般在70%～80%，表4給出4種代表性FRP筋的性能與普通鋼筋的對(duì)比[29]。

表4 典型FRP筋與普通鋼筋力學(xué)性能的對(duì)比Table 4 Comparison of mechanical properties between FRP bars and reinforcement bars

由于樹脂基體的存在，F(xiàn)RP筋的防火性能一直是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。Ashrafi等[30]研究了不同參數(shù)(直徑、纖維和樹脂類型)下溫度對(duì)FRP筋拉伸性能影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，25～90 ℃也就是低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，F(xiàn)RP筋的極限抗拉強(qiáng)度基本不變；在90～300 ℃，GFRP筋和CFRP筋的強(qiáng)度明顯下將；溫度高于300 ℃時(shí)，GFRP筋和CFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度下降到60%。直徑分別為4、6、8 mm的GFRP筋對(duì)應(yīng)的臨界溫度分別為300、375、377 ℃；直徑為5 mm的環(huán)氧樹脂CFRP筋(纖維體積率75%)、環(huán)氧樹脂CFRP筋(纖維體積率85%)、乙烯樹脂CFRP筋(纖維體積率85%)對(duì)應(yīng)的臨界溫度分別為330、360、450 ℃。綜合來說，450 ℃是所有FRP筋工作的臨界溫度[31]。

耐久性好是人們對(duì)FRP材料普遍的認(rèn)知，F(xiàn)RP 筋經(jīng)常被用作普通鋼筋的替代者應(yīng)用于極端環(huán)境中。Yi等[32]進(jìn)行了FRP筋和FRP筋混凝土的耐久性研究的快速老化試驗(yàn)，將裸FRP筋以及FRP筋普通混凝土分別置于以下5種環(huán)境中：水溶液、堿性溶液、鹽溶液、堿和氯離子的混合溶液，并進(jìn)行了高溫加速老化、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)前后FRP筋的抗拉強(qiáng)度以及層間抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，在5種不同的環(huán)境中，CFRP筋均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性能，而GFRP筋的強(qiáng)度以及黏結(jié)強(qiáng)度在濕潤(rùn)環(huán)境中的下降程度大于干濕循環(huán)環(huán)境，60 ℃環(huán)境下表現(xiàn)得尤為突出，相比之下，凍融循環(huán)對(duì)FRP筋的影響很小；Arnaud等[33]對(duì)GFRP筋做了長(zhǎng)期大量的研究證明，年平均氣溫在5～35 ℃，在干濕循環(huán)環(huán)境中使用50年后，GFRP筋的強(qiáng)度最高可維持在初始強(qiáng)度的92%，耐久性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通鋼筋。

FRP筋與混凝土之間的黏結(jié)力是二者共同協(xié)調(diào)工作的前提[33-34]。王勃等[35]對(duì)FRP筋與混凝土之間的黏結(jié)破壞性能進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了27個(gè)不同F(xiàn)RP筋直徑、黏結(jié)長(zhǎng)度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的中心拔出黏結(jié)試件進(jìn)行了拔出試驗(yàn)，結(jié)果表明，拔出破壞的形式主要與黏結(jié)長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度分別為5D、10D和20D(D為FRP筋直徑)時(shí)，破壞形式分別為FRP筋拔出破壞、混凝土劈裂破壞和FRP拉斷破壞，混凝土強(qiáng)度等級(jí)和 FRP 筋直徑對(duì)破壞形式影響不明顯，需進(jìn)一步探究。

Wang等[8]研究了不同溫度在海水條件下GFRP筋和CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能，結(jié)果表明在海水條件下，樹脂與纖維之間出現(xiàn)微裂紋和空隙，并逐漸發(fā)生脫落，F(xiàn)RP筋表現(xiàn)出不同程度的劣化，但好于普通鋼筋，在較高的海水溫度下，GFRP筋的劣化更為明顯；隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)和溫度升高，CFRP筋和GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度明顯降低，CFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度下降是由于樹脂基體的劣化引起的，而GFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度下降是由于二者界面破壞引起的，GFRP筋的破壞模式從拔出破壞變?yōu)镕RP筋拉斷破壞；在實(shí)際工程中，應(yīng)當(dāng)增加混凝土的保護(hù)層厚度以及FRP筋的錨固長(zhǎng)度[36-38]。

不同于普通鋼筋，F(xiàn)RP筋沒有屈服平臺(tái)，從受力開始到破壞均表現(xiàn)為線彈性，因此FRP筋混凝土構(gòu)件的破壞帶有一定的脆性，因此在計(jì)算時(shí)FRP筋不能簡(jiǎn)單的當(dāng)成鋼筋，必須針對(duì)其性能采用合理的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)FRP筋與混凝土的界面剝離是構(gòu)件破壞的主要形式，如何加強(qiáng)二者之間的黏結(jié)強(qiáng)度是未來普及的關(guān)鍵所在，仍需進(jìn)行大量的理論和試驗(yàn)研究[39-45]。

3 FRP加固結(jié)構(gòu)

FRP材料具有良好的成型性和可加工性，利用外黏FRP材料加固是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加固改造中最為有效的解決方案之一，以此為基礎(chǔ)形成的板材、布材、片材等FRP材料在道橋、建筑、巖土、海洋以及特種工程(隧道、涵洞、煙囪、殼體)加固中都有廣泛的應(yīng)用，同時(shí)FRP可以用作極端條件(如高溫、鹽堿、腐蝕、凍融循環(huán)、爆炸和沖擊等環(huán)境)下改善結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)良材料。

Lo等[46]使用有限元模型對(duì)軸向受壓的FRP約束的矩形混凝土柱進(jìn)行非線性分析，并根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)研究中的矩形截面試件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；Williams等[47]通過試驗(yàn)研究了兩種FRP材料加固的T梁在火災(zāi)條件下的性能，表明CFRP和GFRP在250 ℃和325 ℃時(shí)強(qiáng)度損失約為50%；Silva等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽水環(huán)境中暴露1 000 h對(duì)FRP材料沒有明顯影響，而在暴露10 000 h(約13個(gè)月)時(shí)，F(xiàn)RP材料和混凝土界面遭到嚴(yán)重破壞；Green等[49]將FRP加固的構(gòu)件在堿性條件下維持3 000 h后發(fā)現(xiàn)，在23 ℃環(huán)境下其極限承載能力最高下降了23.3%，當(dāng)溫度從23 ℃升高到60 ℃過程中，其強(qiáng)度變化不明顯。

FRP加固在橋梁工程中也得到了廣泛的推廣。德國的Albstadt人行橋是世界上第一座用FRP增強(qiáng)的混凝土人行橋(TRC橋梁)，由于架橋地點(diǎn)有防凍要求，防凍劑帶來的鹽危害較大，為了滿足抗鹽要求，該橋采用間距38 mm的碳纖維網(wǎng)加固，主梁上采用兩層碳纖維網(wǎng)，并在橋梁轉(zhuǎn)角采用U形纖維網(wǎng)，該橋不采用鋼筋，彎矩和剪力全部由纖維網(wǎng)承擔(dān)，為了驗(yàn)證該橋的性能，德國RWTH Aachen University采用足尺模型進(jìn)行荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全可靠，并經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐，橋梁依然完好無損。

FRP錨桿在邊坡加固基坑支護(hù)中也得到了有效應(yīng)用[50-51]。湖南省在長(zhǎng)沙高速公路紅砂巖段邊坡加固工程中，由于當(dāng)?shù)鼗鶐r多為紅砂巖，還存在大量的泥質(zhì)膠結(jié)物，地質(zhì)條件差，風(fēng)化嚴(yán)重，且坡度高、坡度大，工程采用了長(zhǎng)為6 m的GFRP錨桿加固，加固后邊坡系數(shù)達(dá)到了1.32，盡管在暴風(fēng)雨季節(jié)邊坡依然產(chǎn)生位移，但其滑移量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用常規(guī)錨桿的邊坡。

隨著加固技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)RP-鋼板復(fù)合加固的形式越來越被重視[52-54]。加固材料的選擇取決于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的材料類型、施工技術(shù)、環(huán)境條件、可行性以及經(jīng)濟(jì)性等[55]。盡管FRP的彈性模量低，但它具有很高的抗拉強(qiáng)度，可以將鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)梁的極限強(qiáng)度提高到原來的兩倍，同時(shí)使RC梁具有出色的抗剪切和抗扭轉(zhuǎn)能力，但FRP加固依舊面臨諸多的問題[56]，在有效利用FRP極限應(yīng)變的前提下，F(xiàn)RP加固最常發(fā)生的破壞是其脆性的脫落破壞，如何保證層間應(yīng)力的有效傳遞，保證黏結(jié)層的黏結(jié)強(qiáng)度和耐久性仍是一道難題；如果混凝土內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度過大，加之混凝土和纖維之間質(zhì)量差，會(huì)使FRP材料本身提前斷裂而退出工作，F(xiàn)RP允許的應(yīng)變僅為極限應(yīng)變的10%～25%，多層FRP材料這一數(shù)值更低；FRP錨桿斷裂也是一個(gè)關(guān)鍵問題，由于錨桿中常用的GFRP材料具有一定的脆性，當(dāng)鋼套管滑落時(shí)，錨桿頭容易受到擠壓，GFRP錨桿容易斷裂，另外，由于GFRP的斷裂伸長(zhǎng)率最大在3%左右，GFRP錨桿的能量不能有效分散，限制了錨桿的允許應(yīng)變，因此GFRP錨桿在地震作用下的性能比鋼錨桿要差。

4 FRP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)

4.1 全FRP結(jié)構(gòu)

全FRP結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于中小跨度的橋梁工程，例如位于荷蘭TU Delft大學(xué)的全FRP人行橋Delft Bridge，如圖1所示；此外還有位于中國河北省的FRP彩虹橋等，如圖2所示。目前在世界范圍內(nèi)掀起了一股FRP橋梁的熱潮。

圖1 荷蘭Delft人行橋Fig.1 Delft pedestrain bridge in the Netherlands

圖2 中國河北彩虹橋Fig.2 Rainbow bridge in Hebei Province,China

Wei等[57]對(duì)歐洲8座FRP橋梁的動(dòng)力特性(模態(tài)、固有頻率和阻尼比等)進(jìn)行了評(píng)估對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP人行橋在相同跨度下具有相似的基本頻率，與結(jié)構(gòu)材料無關(guān)；第一豎向模態(tài)下的平均阻尼比是鋼-混凝土組合橋的2.5倍，但要低于木橋；FRP人行橋的頻率和阻尼比與響應(yīng)幅值有關(guān)，由于結(jié)構(gòu)頻率隨振幅變化時(shí)難以產(chǎn)生共振響應(yīng)，固有頻率的這種振幅依賴性可能會(huì)改善這些橋的振動(dòng)性能；另外，F(xiàn)RP人行橋的平均加速度峰值比常規(guī)人行橋的加速度峰值高3.5倍。

Izabela等[58]對(duì)兩座具有不同結(jié)構(gòu)布局(圖3、圖4)的GFRP人行天橋的動(dòng)力特性以及行人和車輛荷載作用下的振動(dòng)性能進(jìn)行了研究，并用有限元軟件ABAQUS計(jì)算，研究結(jié)果表明，盡管GFRP橋具有低質(zhì)量和低剛度的特性，但在行人和重型車輛作用下人行橋沒有因振動(dòng)而引起破壞；U形梁結(jié)構(gòu)的固有頻率為5.71 Hz，超出行人動(dòng)態(tài)影響的范圍(1.3～3.4 Hz)，不會(huì)產(chǎn)生共振，但雙層拱結(jié)構(gòu)最低固有頻率為2.68 Hz，它與人跑步時(shí)的頻率一致，易產(chǎn)生共振，考慮到行人荷載，U形梁結(jié)構(gòu)形式的人行天橋要更好；考慮到有車輛通過時(shí)的動(dòng)荷載，車輛動(dòng)態(tài)荷載的頻率特性取決于車輛速度，由于慢車通過時(shí)頻率接近所研究結(jié)構(gòu)的固有頻率，因此實(shí)際工程中對(duì)車行橋的車速必須加以限制。

圖3 西班牙Lleida人行橋Fig.3 Lleida footbridge,Spain

圖4 英國Bradkirk橋Fig.4 Bradkirk Bridge,UK

4.2 FRP組合結(jié)構(gòu)

用FRP代替橡膠隔震支座中鋼板是一種新思路。袁譜等[59]對(duì)凍融條件下FRP橡膠隔震支座的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)12個(gè)FRP橡膠隔震支座分別進(jìn)行凍融循環(huán)處理25、50、75次，并進(jìn)行剛度性能試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)前后的支座性能進(jìn)行了對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，凍融后支座的水平剛度比常溫下的水平剛度要高。橡膠因冷凍引起強(qiáng)度變大、脆性增大，加之基體材料膨脹吸濕，導(dǎo)致支座水平剛度隨測(cè)試時(shí)間的增長(zhǎng)下降了3.26%～43.25%，極限壓應(yīng)力和剪應(yīng)變也越來越小；同時(shí)，當(dāng)壓應(yīng)力不變時(shí)，水平剛度與剪應(yīng)變負(fù)相關(guān)；當(dāng)剪應(yīng)變不變時(shí)，水平剛度隨著與壓應(yīng)力也為負(fù)相關(guān)；有橡膠保護(hù)層的隔震支座力學(xué)性能要明顯好于無保護(hù)層的支座。

鋼管混凝土柱被廣泛用在結(jié)構(gòu)中，這種柱的常見失效模式是柱端的向外局部屈曲，而將FRP應(yīng)用到鋼管混凝土柱中可以有效抑制這種局部屈曲[60-62]。Yu等[63]、Teng等[64]、Butje等[65-66]對(duì)FRP-混凝土-鋼中空組合柱(DSTCS)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)DSTCS[圖5(a)]的受力可以總結(jié)為兩個(gè)階段：內(nèi)鋼管屈曲之前，力學(xué)性能受FRP控制；內(nèi)鋼管屈曲之后，力學(xué)性能主要受內(nèi)鋼管控制?？招穆屎弯摴艿膹胶癖葘?duì)力學(xué)性能影響較大，外圓內(nèi)圓截面形式的DSTCS力學(xué)性能最好，外圓內(nèi)方截面形式力學(xué)性能較差，且內(nèi)鋼管強(qiáng)度越高，組合柱的力學(xué)性能越差。

如圖5(b)所示，F(xiàn)RP-鋼-混凝土實(shí)心混合柱(CCFTS)是另外一種形式的組合柱，它將FRP材料整個(gè)纏繞在鋼管外表面，相較于DSTCS，CCFTS中鋼管和FRP對(duì)內(nèi)部混凝土提供了雙重約束，極大提高了混凝土的極限應(yīng)力，且FRP提供的約束力要遠(yuǎn)大于鋼管，因此該組合柱最終破壞均為FRP的環(huán)向斷裂。

因此，CCFTS受力可分為：混凝土未受約束階段、FRP和鋼共同約束階段和FRP單獨(dú)約束階段。但如果鋼管厚度過大，其不均勻膨脹會(huì)影響FRP的約束作用[67-72]。還有其他形式的組合柱，比如在CCFTS鋼管和混凝土中加一層軟泡沫帶、FRP混凝土型鋼柱等，無論哪種形式的組合柱，雖然FRP可以提供持續(xù)的約束，但脆性依然比較明顯，破壞前沒有明顯的征兆。

5 結(jié)論和展望

FRP材料憑借其優(yōu)良的性能在土木工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，還需要在以下3個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

(1)FRP材料需要根據(jù)實(shí)際需要選擇基體和增強(qiáng)體，不同的組合性能相差很大，而關(guān)于材料本構(gòu)關(guān)系的研究還比較缺乏，應(yīng)該繼續(xù)開展對(duì)FRP材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能和實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)理論研究；另外，F(xiàn)RP本身彈性模量低以及抗壓、抗剪強(qiáng)度低極大限制它的應(yīng)用，應(yīng)該開展相關(guān)理論及試驗(yàn)研究改善這些不足。

(2)無論FRP筋、FRP加固還是FRP結(jié)構(gòu)，如何保證與其他材料連接的可靠性是重中之重。目前FRP在結(jié)構(gòu)中的破壞大部分是界面的破壞(材料界面發(fā)生脫落、剝離)，如何確定材料之間相互作用、保證材料協(xié)調(diào)穩(wěn)定整體工作還需要進(jìn)一步研究探索。

(3)目前關(guān)于FRP材料的規(guī)范和條例還不夠完善，應(yīng)根據(jù)研究成果規(guī)范FRP材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、試驗(yàn)、應(yīng)用和施工，提高FRP材料生產(chǎn)和安裝的一致性和安全性。

雖然FRP材料的應(yīng)用越來越廣泛，但目前中國從技術(shù)、質(zhì)量，特別是對(duì)新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家仍有較大差距。中國應(yīng)加大FRP材料在土木工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)研究投入，促進(jìn)FRP材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)，加強(qiáng)與其他領(lǐng)域的合作，從而全面提高土木工程領(lǐng)域FRP材料的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用能力。隨著不斷地研究實(shí)踐，F(xiàn)RP材料在土木工程建設(shè)中必將發(fā)揮更重要作用。